KR20020036125A

KR20020036125A - ZnO/Si structure heterojunction photodiode and fabrication method thereof

Info

Publication number: KR20020036125A
Application number: KR1020000066143A
Authority: KR
Inventors: 송종한; 최원국; 정형진; 임성일
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2002-05-16

Abstract

PURPOSE: A ZnO/Si heterojunction photodiode is provided to simply embody a photodiode through a single deposition process of a ZnO thin film by using the ZnO thin film as a visible ray transmission window, and to increase quantum efficiency by 50 percent through a thickness control of the ZnO thin film and crystallinity. CONSTITUTION: A heterojunction photodiode includes a silicon substrate and a zinc oxide layer formed on the silicon substrate. The silicon substrate is of a p-type conductivity type, and the zinc oxide layer is of an n-type conductivity type. The zinc oxide layer has an energy band gap of 3.1-3.2 electron-volt.

Description

ＺｎＯ／Ｓｉ 이종접합 광다이오드 및 그 제조방법 {ZnO/Si structure heterojunction photodiode and fabrication method thereof}ZnO / Si heterojunction photodiode and its manufacturing method {ZnO / Si structure heterojunction photodiode and fabrication method

본 발명은 이종접합 광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 ZnO/Si 구조를 갖는 새로운 이종접합 광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heterojunction photodiode and a method of manufacturing the same, and more particularly to a new heterojunction photodiode having a ZnO / Si structure and a method of manufacturing the same.

광다이오드는 광을 받아서 이를 전기신호로 변환하는 것인데, 일반적으로 원격제어장치나 광통신장치의 수신용 소자로서 많이 사용되고 있다. Si을 기판으로 사용하는 금속-반도체 광다이오드는 금속막이 매우 얇아야 하며, 반반사 코팅이 되어 있어야 한다. 그리고, Ⅲ-Ⅴ족 이종접합 광다이오드의 경우는, 낮은 누설전류를갖는 이종접합을 얻기 위하여 격자정합된 적층성장이 요구되며, 또한 기판의 가격도 Si에 비해 고가이다. 이에, Si을 기판으로 사용하고 제조공정이 단순하여 제조단가를 줄일 수 있는 새로운 구조의 광다이오드 개발이 요구되고 있다.Photodiodes receive light and convert it into electrical signals. In general, photodiodes are widely used as receiving devices for remote control devices or optical communication devices. Metal-semiconductor photodiodes using Si as a substrate should have a very thin metal film and have a semi-reflective coating. In the case of the III-V heterojunction photodiode, lattice matched lamination growth is required in order to obtain a heterojunction having a low leakage current, and the substrate is also more expensive than Si. Accordingly, there is a demand for developing a photodiode having a new structure that uses Si as a substrate and has a simple manufacturing process to reduce manufacturing cost.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, Si을 기판으로 사용하되, 반반사 코팅이 필요없으며, 제조공정이 단순하여 제조 단가를 줄일 수 있는 이종접합 광다이오드를 제공하는 데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a heterojunction photodiode that uses Si as a substrate but does not require anti-reflective coating, and that the manufacturing process is simple and the manufacturing cost can be reduced.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 기술적 과제를 달성하는 데 적합한 이종접합 광다이오드 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a heterojunction photodiode suitable for achieving the above technical problem.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 n-ZnO/p-Si 이종접합 광다이오드를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램; 및1 is an energy band diagram for explaining an n-ZnO / p-Si heterojunction photodiode according to an embodiment of the present invention; And

도 2는 아르곤과 산소의 분압비 및 기판의 온도를 변화시키면서 광다이오드를 제조한 후에, 광다이오드의 전류-전압 특성을 측정한 결과 그래프이다.2 is a graph showing results of measuring current-voltage characteristics of a photodiode after fabricating the photodiode while changing the partial pressure ratio of argon and oxygen and the temperature of the substrate.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 이종접합 광다이오드는 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 산화아연층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A heterojunction photodiode according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem is characterized in that it comprises a silicon substrate, and a zinc oxide layer formed on the silicon substrate.

여기서, 상기 실리콘 기판은 p형 도전성을 가지며, 상기 산화아연층은 n형 도전성을 가지는 것이 바람직하며, 상기 산화아연층은 가시광 투과창 역할을 하도록 3.1 ~ 3.2 eV의 에너지 밴드갭을 가지는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 산화아연층의 산소 : 질소의 당량비는 1 : 1 인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the silicon substrate has a p-type conductivity, and the zinc oxide layer has an n-type conductivity, and the zinc oxide layer preferably has an energy bandgap of 3.1 to 3.2 eV to serve as a visible light transmission window. . In addition, the equivalent ratio of oxygen: nitrogen in the zinc oxide layer is preferably 1: 1.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 이종접합광다이오드 제조방법은, 금속아연이 스퍼터링 타겟으로 장착되는 스퍼터링 챔버에 실리콘 기판을 장입하고; 상기 실리콘 기판의 온도는 500~600℃이고, 상기 스퍼터링 챔버 내의 아르곤: 산소의 분압비는 4:1 ~ 6:1인 상태에서 상기 실리콘 기판 상에 스퍼터링 방법으로 산화아연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Heterojunction photodiode manufacturing method according to an embodiment of the present invention for achieving the above another technical problem, the silicon zinc is loaded into the sputtering chamber is mounted as a sputtering target; Forming a zinc oxide layer on the silicon substrate by a sputtering method in a state in which the temperature of the silicon substrate is 500 to 600 ° C. and the partial pressure ratio of argon to oxygen in the sputtering chamber is 4: 1 to 6: 1. Characterized in that.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 n-ZnO/p-Si 이종접합 광다이오드를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램으로서, 역전압(reverse bias) 상태인 경우를 나타낸 것이다. 도 1을 참고하면, hυ의 에너지를 가지는 광자가 n-ZnO층을 통과하게 되면 p-Si층의 결핍영역에서 전자-정공 쌍이 생성되어 광전류가 흐르게 된다. 여기서, n-ZnO는 장벽전위(built-in potential)을 생성시키는 역할을 함과 동시에, 3.2eV의 큰 밴드갭을 가지고 있기 때문에 가시광 투과창 역할도 한다.FIG. 1 is an energy band diagram for explaining an n-ZnO / p-Si heterojunction photodiode according to an embodiment of the present invention, and shows a case of a reverse bias state. Referring to FIG. 1, when a photon having an energy of hυ passes through an n-ZnO layer, electron-hole pairs are generated in a deficient region of the p-Si layer, and photocurrent flows. Here, n-ZnO plays a role of generating a built-in potential, and also plays a role of a visible light transmission window because it has a large band gap of 3.2 eV.

본 발명에 따른 이종접합 광다이오드는, 금속아연(Zn)이 스퍼터링 타겟으로 장착되는 알 에프 마그네트론 스퍼터링 챔버(radio frequency magnetron sputtering chamber)에 전도도가 10 Ωcm인 p-Si(100) 기판을 장입한 다음에, 챔버에 아르곤, 산소를 불어넣어 마그네트론 스퍼터링 방법으로 p-Si 기판 상에 n-ZnO층을 증착하여 제조한다, 일반적으로 n형 ZnO박막을 제조하기 위해 ZnO 박막에 Ⅲ족 원소를 도펀트로 넣지만, 위와같이 별도의 도펀트를 첨가하지 않는 경우에도 ZnO는 n형 특성을 갖는다. n-ZnO층 증착 시의 p-Si 기판의 온도는 500~600℃ 이면되고, 챔버 내의 아르곤 : 산소의 분압비는 4 : 1 ~ 6 : 1 이면 된다. n-ZnO층의 Zn 대 O의 조성비는 러더포드 후방산란법으로 조사한 결과 1 : 1 이었으며, 엘립소메터를 이용하여 측정된 n-ZnO 박막의 에너지 갭은 3.1~3.18eV 이었다.The heterojunction photodiode according to the present invention is loaded with a p-Si (100) substrate having a conductivity of 10 Ωcm in a radio frequency magnetron sputtering chamber in which metal zinc (Zn) is mounted as a sputtering target. In the chamber, argon and oxygen are blown to form a n-ZnO layer on a p-Si substrate by a magnetron sputtering method. However, even when a separate dopant is not added as described above, ZnO has n-type characteristics. The temperature of the p-Si substrate during the deposition of the n-ZnO layer may be 500 to 600 ° C, and the partial pressure ratio of argon to oxygen in the chamber may be 4: 1 to 6: 1. The composition ratio of Zn to O of the n-ZnO layer was 1: 1 as determined by the Rutherford backscattering method, and the energy gap of the n-ZnO thin film measured using an ellipsometer was 3.1 to 3.18 eV.

도 2는 아르곤과 산소의 분압비 및 기판의 온도를 변화시키면서 광다이오드를 제조한 후에, 광다이오드의 전류-전압 특성을 측정한 결과 그래프이다. 전류-전압 특성 측정을 위하여 직경이 0.5mm인 인듐(In) 도트를 n-ZnO박막의 표면 모퉁이에 형성시켰으며 p-Si 기판의 뒷면에는 오믹접합을 실시하였다. 측정은 암실에서 행해졌으며, 레이저 광원이 없는 경우와, 파장이 670nm이고 최대 전달 파워밀도가 56mW/cm²인 적색레이저를 3cm 거리에서 시편에 조사한 경우에 대하여 실시하였다.2 is a graph showing results of measuring current-voltage characteristics of a photodiode after fabricating the photodiode while changing the partial pressure ratio of argon and oxygen and the temperature of the substrate. In order to measure the current-voltage characteristic, an indium (In) dot having a diameter of 0.5 mm was formed at the surface corner of the n-ZnO thin film, and ohmic bonding was performed on the back side of the p-Si substrate. Measurements were carried out in the dark room, when no laser light source was used, and when the specimen was irradiated with a red laser having a wavelength of 670 nm and a maximum transmission power density of 56 mW / cm ² at a distance of 3 cm.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 증착온도가 500℃이고, 아르곤:산소의 분압비가 4:1이며, n-ZnO층의 증착두께가 760nm인 경우에, 5V의 역방향 전압에서 약 10mA/cm2 의 광전류밀도가 얻어졌으며, 양자효율은 32%로써 매우 우수하였다. 이 때, 암전류(dark current) 밀도는 0.08~0.9mA/cm2 이었다.As can be seen in FIG. 2, when the deposition temperature is 500 ° C., the partial pressure ratio of argon to oxygen is 4: 1, and the deposition thickness of the n-ZnO layer is 760 nm, at about 10 mA / cm 2 at a reverse voltage of 5 V. Photocurrent density was obtained and the quantum efficiency was very good as 32%. At this time, the dark current density was 0.08 to 0.9 mA / cm 2.

상술한 바와 같이 ZnO박막을 가시광 투과창으로 이용하여 ZnO/Si 이종접합 광다이오드를 제조하게 되면, 반반사 코팅 등을 행할 필요없이 ZnO박막의 단일 증착공정을 통해 간단하게 광다이오드를 구현할 수 있게 된다. 또한, ZnO박막의 두께 조절 및 결정성 향상을 통해 양자효율을 50% 까지 향상시킬 수 있다.As described above, when the ZnO / Si heterojunction photodiode is manufactured using the ZnO thin film as a visible light transmission window, the photodiode can be simply implemented through a single deposition process of the ZnO thin film without performing antireflection coating. . In addition, the quantum efficiency can be improved by 50% through thickness control and crystallinity improvement of the ZnO thin film.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.

Claims

실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 산화아연층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종접합 광다이오드.A heterojunction photodiode comprising a silicon substrate and a zinc oxide layer formed on the silicon substrate.

제1 항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 p형 도전성을 가지며, 상기 산화아연층은 n형 도전성을 가지는 것을 특징으로 하는 이종접합 광다이오드.The heterojunction photodiode of claim 1, wherein the silicon substrate has a p-type conductivity, and the zinc oxide layer has an n-type conductivity.

제1 항에 있어서, 상기 산화아연층이 3.1 ~ 3.2 eV의 에너지 밴드갭을 가지는 것을 특징으로 하는 이종접합 광다이오드.The heterojunction photodiode of claim 1, wherein the zinc oxide layer has an energy bandgap of 3.1 to 3.2 eV.

제1 항에 있어서, 상기 산화아연층의 산소 : 질소의 당량비가 1 : 1 인 것을 특징으로 하는 이종접합 광다이오드.The heterojunction photodiode of claim 1, wherein an equivalent ratio of oxygen: nitrogen in the zinc oxide layer is 1: 1.

금속아연이 스퍼터링 타겟으로 장착되는 스퍼터링 챔버에 실리콘 기판을 장입하고, 상기 실리콘 기판의 온도는 500~600℃이고, 상기 스퍼터링 챔버 내의 아르곤: 산소의 분압비는 4:1 ~ 6:1인 상태에서 상기 실리콘 기판 상에 스퍼터링 방법으로 산화아연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 광다이오드 제조방법.A silicon substrate is charged into a sputtering chamber in which metal zinc is mounted as a sputtering target, and the temperature of the silicon substrate is 500 to 600 ° C., and the partial pressure ratio of argon to oxygen in the sputtering chamber is 4: 1 to 6: 1. Heterojunction photodiode manufacturing method comprising the step of forming a zinc oxide layer on the silicon substrate by a sputtering method.